[PCB EMI] Single-Ended와 Differential 신호 처리 (56)

단일 종단 및 차동 신호 처리: 노이즈 환경에서의 신호 전송 전략

노이즈가 많은 환경에서 신호를 안정적으로 전송하기 위한 대표적인 방법으로 단일 종단(Single-Ended) 신호와 차동(Differential) 신호가 사용됩니다. 이 글에서는 두 방식의 기본 개념, 장단점, 적용 분야를 비교해 신호 처리 방식을 선택하는 데 필요한 정보를 제공합니다.

 

1. 단일 종단 신호 처리란 무엇인가요?

단일 종단 방식은 하나의 신호 선과 하나의 공통 기준(GND)으로 구성됩니다. 송신부에서 특정 전압 레벨로 신호를 생성하고, 수신부는 이 전압의 변화를 기준 전위와 비교하여 신호를 판별합니다.

• 신호 표현 방식: 신호 전압은 신호 선과 기준 전위(GND) 사이의 전압 차로 정의됩니다.
• 특징:
  • 회로 구성이 간단하고 설계가 용이합니다.
  • 부품 수가 적고 제작 비용이 낮습니다.
  • 외부 노이즈에 취약하여 공통 모드 노이즈가 그대로 영향을 미칠 수 있습니다.
  • 고주파에서는 신호 손실과 왜곡이 발생할 수 있습니다.
• 주요 적용 분야: 저속 통신, 간섭이 적은 환경, 간단한 디지털 회로 등

 

2. 차동 신호 처리 방식은 어떻게 다른가요?

차동 방식은 두 개의 신호 선을 사용하여 서로 반대 위상의 신호를 동시에 전송합니다. 수신부는 이 두 선 간의 전압 차를 기준으로 실제 데이터를 복원합니다.

• 신호 표현 방식: 두 선로 간의 전압 차이(Vdiff = V+ − V−)로 신호를 인식합니다.
• 특징:
  • 동일한 노이즈가 두 선로에 유입되면 수신단에서 상쇄되어 제거됩니다.
  • 반대 위상 신호가 방출하는 전자기장을 서로 상쇄해 EMI를 줄이는 데 효과적입니다.
  • 낮은 전압 변화만으로도 신호 전달이 가능해 전력 효율이 높습니다.
  • 고속 신호 전송에 적합하지만, 선로 수 증가로 인한 설계 복잡도와 비용 상승이 있습니다.
• 주요 적용 분야: USB, Ethernet, HDMI, PCIe 등 고속·고신뢰 통신이 필요한 영역

 

3. 차동 신호 방식의 핵심 장점은 무엇인가요?

1. 낮은 전압 스윙: 낮은 전압만으로도 안정적인 신호 전송이 가능해 전력 소모를 줄일 수 있습니다.
2. 우수한 노이즈 내성: 공통 모드 노이즈 제거 기능으로 신호 대 잡음비(SNR)를 크게 향상합니다.
3. EMI 및 크로스토크 저감: 상쇄 구조로 인접 회선 간 간섭과 전자기파 방출을 동시에 줄일 수 있습니다.
4. 고속 데이터 전송에 최적: 고주파에서도 신호 품질이 유지되어 고속 디지털 통신에 적합합니다.

 

4. 단일 종단과 차동 방식 중 어떤 것을 선택해야 하나요?

두 방식은 각각의 용도와 환경에 맞는 장단점이 있습니다. 단일 종단은 간단하고 경제적이지만 노이즈에 취약합니다. 반면 차동 방식은 복잡하고 비용이 들지만, 안정성과 속도 면에서 뛰어납니다.

신호 전송 거리, 동작 주파수, EMI 환경, 설계 예산 등을 종합적으로 고려하여 상황에 맞는 방식을 선택하는 것이 중요합니다.